Химическое производство и химико-технологический процесс

Объектом исследования технологии является производство.

Производственным процессом называется совокупность действий, в результате которых обрабатываемые материалы, полуфабрикаты, заготовки (детали) превращаются в готовые изделия.

Основную часть производственного процесса, необходимую непосредственно для изменения формы, размеров или состояния заготовки (детали) или сборки изделий и сборочных единиц, называют т ехнологическим процессом. При проектировании новых и реконструкции существующих предприятий технологический процесс является основой всего проекта, так как он дает исходные материалы (данные) для определения потребности рабочей силы, оборудования, производственных площадей, капитальных вложений и т.д.
От качества разработки технологического процесса в значительной степени зависит рентабельность будущего производства.

Производственный процесс включает не только технологические,
но и вспомогательные процессы (в частности, транспортировку, контроль продукции, подготовку производства, эксплуатацию зданий и сооружений, оборудования).

Объектом исследования химической технологии является химическое производство.

Химическое производство ‑ совокупность процессов и операций, осуществляемых в машинах и аппаратах и предназначенных для переработки сырья путем химических превращений в необходимые продукты.

Химико-технологический процесс – целенаправленная переработка исходных веществ в продукт посредством химических и физико-химических процессов и их сочетаний.

Общие требования к химическому производству:

– получение в производстве необходимого продукта;

– экологическая безопасность;

– безопасность и надежность эксплуатации;

– максимальное использование сырья и энергии;

– максимальная производительность труда.

Основное назначение химического производства - получение продукта, при этом химическое производство является многофункциональным.

Общая структура химического производства включает в себя функциональные части (рис. 6).

Поз. 1-3 ‑ химико-технологический процесс, в котором сырье перерабатывается в продукт.

Подготовка сырья (поз. 1) включает в себя его предварительную обработку ‑ измельчение, очистку от примесей, смешивание компонентов и т.д. Процессы подготовки сырья зависят от вида сырья и условий превращения. Подготовленное сырье проходит ряд превращений (поз. 2), в результате чего образуется необходимый продукт производства. Поскольку исходное природное сырье, как правило, содержит примеси, превращение может быть неполным, и могут образовываться другие вещества, поэтому приходится выделять основной продукт из образовавшейся смеси, очищать его от примесей (поз. 3).

А à R + S,

где A – исходный продукт; R – целевой продукт; S – побочный продукт.

Выделение целевых продуктов осуществляется ректификацией, адсорбцией, кристаллизацией, выпариванием и т. д.

Отходы производства или невостребованные продукты переработки сырья могут содержать как вредные компоненты, которые опасно выбрасывать в окружающую среду, так и полезные, которые нецелесообразно выбрасывать. Поэтому существенным элементом химического производства является санитарная очистка и утилизация отходов производства (поз. 4).

Санитарная очистка, или обезвреживание отходов, ‑ перевод токсичных составляющих в безвредные, с тем чтобы их можно было удалить из производства, не опасаясь заражения окружающей среды. Хотя, конечно, даже обезвреженные отходы производства не являются полностью безопасными для окружающей среды, ибо загрязняют ее в любом случае.

 

Рис. 6. Структура и функциональные элементы химического производства:

1 - подготовка сырья; 2 - переработка сырья; 3 - выделение основного продукта; 4 - санитарная очистка и утилизация отходов; 5 - энергетическая система;
6 - подготовка вспомогательных материалов и водоподготовка; 7 - система управления

 

Химическая промышленность потребляет довольно много энергии, чтобы обеспечить переработку сырья в продукты, - около 15 % всех энергоресурсов расходуется в этой области техники. Поэтому энергетическая система - важный и сложный элемент химического производства (поз. 5). Энергия не столько потребляется непосредственно для получения продукта, сколько обеспечивает условия его производства. Кроме того, нередко химические превращения сопровождаются выделением энергии (экзотермические реакции). Поэтому энергетическая система должна обеспечивать не только распределение энергии по стадиям производства, но и по возможности возвращение ее после использования в переработке сырья.

Кроме энергии, в химическом производстве используются вспомогательные материалы. К ним относятся, например, сорбенты для очистки и выделения продуктов; вещества, с помощью которых создается среда, необходимая для протекания процессов, и др. Особое место занимает вода ‑ она используется для охлаждения технологических потоков, выработки пара, растворения и разбавления технологических потоков. Потребление ее может быть значительным. Подготовка вспомогательных материалов и особенно водоподготовка – также очень важная и сложная часть химического
производства (поз. 6).

Сложное химическое производство невозможно эксплуатировать без системы управления (поз. 7). Она обеспечивает контроль за состоянием производства, проведением процессов при наилучших условиях, защиту от нежелательных (аварийных) ситуаций, пуск и остановку сложной системы.

1.2.2. Показатели эффективности химического производства
и химико-технологического процесса

Определение полезности и эффективности химического производства и технологического процесса в нем производится по разным показателям, которые сгруппированы следующим образом.

Технические показатели определяют качество химико - технологического процесса.

Производительность (мощность) производства ‑ количество получаемого продукта или количество перерабатываемого сырья в единицу времени:

П = G/t,

где П ‑ производительность; G ‑ количество получаемого продукта или перерабатываемого сырья за время t.

Обычно производительность выражают в количестве продукта за 1 ч или 1 сут, показывая максимальную возможность производства в непрерывном режиме. Производительность за длительный срок работы ‑ один год ‑ учитывает плановые остановки производства. Поэтому для химических производств для связи часовой или суточной производительности с годовой принимают, что производство работает 8000 ч, или 330 сут, в год.

Расходный коэффициент показывает количество затраченного сырья, материалов или энергии на производство единицы продукта. Его размерность очевидна: кг сырья/т продукта; м³ сырья/кг продукта; кВт-ч/кг продукта; Гкал/т продукта и т. д.

Расходный коэффициент показывает количественно затраты на производство продукта, но не отражает эффективности использования расходуемых компонентов. Последняя определяется следующим показателем.

Выход продукта ‑ отношение реально получаемого количества продукта из использованного сырья к максимальному количеству, которое теоретически можно получить из того же сырья.

Интенсивность процесса - количество перерабатываемого сырья или образующегося продукта в единице объема аппарата. Этот показатель характеризует интенсивность протекания процесса в технологическом аппарате и совершенство организации процесса.

Удельные капитальные затраты ‑ затраты на оборудование, отнесенные к единице его производительности. Для начала производства необходимы единовременные затраты на аппараты, машины, трубопроводы, сооружения и прочее, т. е. капитальные затраты. Отнесенные к единице производительности, удельные капитальные затраты характеризуют эффективность организации процесса в отдельных аппаратах и в производстве в целом, совершенство используемых конструкций. Этот показатель выражается в натуральных величинах, например: т металла/1000 т продукта в сутки, или в денежном выражении.

Качество продукта определяет его потребительские свойства и товарную ценность. Показатель индивидуален для каждого продукта. Он может включать содержание (состав и количество) примесей, физические и химические показатели, внешний вид и размеры, цвет, запах и прочее. Определяется нормативными документами (ГОСТами ‑ государственными отраслевыми стандартами, техническими условиями, сертификатами качества).

Экономические показатели определяют экономическую эффективность производства.

Себестоимость продукции ‑ суммарные затраты на получение единицы продукта. Себестоимость складывается из следующих расходов: затрат на сырье, энергию, вспомогательные материалы; единовременных, капитальных затрат, распределяемых равномерно на срок эксплуатации оборудования; затрат на оплату труда работников.

Себестоимость имеет денежное выражение.

Производительность труда ‑ количество продукции, произведенной в единицу времени (обычно за год) в пересчете на одного работающего; характеризует эффективность производства относительно затрат труда.

Экономические показатели рассчитываются на основе технических показателей. Некоторые из них (производительность, расходные коэффициенты, удельные капитальные затраты) можно представить в денежном выражении. Эти и экономические показатели также называют техноэкономическими.

Эксплуатационные показатели характеризуют изменения, возникающие в химико-технологическом процессе и производстве во время эксплуатации оборудования при появлении отклонений от регламентированных условий и состояний. Влияние отклонений на показатели процесса, возможность управления процессом определяются эксплуатационными показателями.

Надежность характеризуют средним временем безаварийной работы либо числом аварийных остановов оборудования или производства в целом за определенный отрезок времени. Этот показатель зависит от качества используемого оборудования и правильности его эксплуатации.

Безопасность функционирования ‑ вероятность нарушений, приводящих к нанесению вреда или ущерба обслуживающему персоналу, оборудованию, а также окружающей среде, населению.

Чувствительность к нарушениям режима и изменению условий эксплуатации; определяется отношением изменения показателей процесса
к этим отклонениям.

Управляемость и регулируемость характеризуют возможность поддерживать показатели процесса в допустимых пределах, определяют величину допустимых изменений условий процесса, управляющие параметры и их взаимовлияние (сложность управления).

Социальные показатели определяют комфортность работы на данном производстве и его влияние на окружающую среду.

Безвредность обслуживания следует из сопоставления санитарно-гигиенических условий для обслуживающего персонала с соответствующими нормами по загазованности, запыленности, уровню шума и др.

Степень автоматизации и механизации определяет долю ручного
и тяжелого труда в эксплуатации производства.

Экологическая безопасность ‑ степень воздействия производства на окружающую среду и экологическую обстановку в регионе.

Перечень основных показателей химического производства свидетельствует о том, насколько высоки требования к качеству его разработки, проектирования, создания и эксплуатации. Нередко достигнутые наилучшие результаты по каждому из этих требований вступают в противоречие друг с другом. Необходимы компромиссные решения. Поэтому инженер-технолог должен обладать не только обширными, разносторонними знаниями, но и высокой культурой.